46
I. MECHANIKA 1. Kinematika hmotného bodu 1

I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

I. MECHANIKA

1. Kinematika hmotného bodu

1

Page 2: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Obsah

prostor, čas, hmotný bod

vztažná soustava, trajektorie, dráha, průměrná a

okamžitá rychlost, zrychlení

pojmy derivace a integrálu

složky vektoru, polohový vektor, skládání rychlosti

tečná a normálová složka zrychlení, dostředivé zrychlení

klasifikace pohybu (přímočarý x křivočarý, rovnoměrný x

nerovnoměrný)

rovnoměrný kruhový pohyb

harmonický pohyb po přímce

2

Page 3: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Vývoj základních pojmů kinematiky

kiné = pohyb

hmotné objekty existují v prostoru a času, „zabírají“ určitou část prostoru, polohy se s časem mění

prostor

antická představa (Aristoteles) – 2 oblasti s různými zákonitostmi (prostor okolo Země x oblast

pohybu nebeských těles)

empirická pozorování a experimenty teorie gravitace + Keplerovy zákony na Zemi i ve

vesmíru stejné zákonitosti pohybu absolutní prostor nezávislý na hmotných objektech a jejich

pohybech (Newton)

axiom (Newton) : „Absolutní prostor je vzhledem ke své podstatě a bez ohledu na vnější objekty

stále týž a nepohyblivý.“

prostor – trojrozměrné (3 nezávislé údaje) kontinuum (spojitá změna vzdálenosti)

čas

odvozen od doby trvání objektivně existujících procesů, později pohyb Slunce po obloze, pak

pohyb hvězd, měření času aktuálně odvozeno od kmitů krystalu

axiom (Newton) : „Absolutní, skutečný a matematický čas plyne sám od sebe a díky své povaze

rovnoměrně a bez ohledu na vnější objekty.“

čas – spojitý parametr společný všem objektům nezávisle na jejich pohybu (rychlosti)

vliv objektů na prostor a čas

tělesa (pohybem i hmotností) působí na geometrii prostoročasu (Einstein - teorie relativity) 3

Page 4: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Základní matematické abstrakce

prostor a čas nezávislé na hmotných objektech

prostor je trojrozměrné kontinuum (Eukleidovský prostor)

čas je jednorozměrné kontinuum

hmotný bod (vhodnější by bylo „bodová hmotnost“ analogicky k „bodovému náboji“)

bezrozměrný (nekonečně malý)

nemůže se ani deformovat ani rotovat

abstraktní

přesto lze takto s dostatečnou přesností popisovat řadu objektů (subatomární částice,

resp. atomy ve srovnání s velikostí těles, planety ve srovnání s velikostí sluneční

soustavy)

reálná tělesa lze popisovat jako soustavy hmotných bodů (později)

vztažná soustava (vztažný systém, soustava souřadná)

soustava souřadnic, vůči níž se stanovuje poloha hmotného bodu

4

Page 5: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Trajektorie

geometrická křivka v prostoru, kterou hmotný bod při pohybu opisuje

dle tvaru trajektorie rozlišujeme pohyb přímočarý a křivočarý (kruhový,...)

Dráha s

délka trajektorie, kterou hmotný bod proběhne za čas

Parametrizace polohy

parametrizace časem (vhodná pro zkoumání rychlosti)

Rychlost v – 2 významy, zde ve významu „speed“

skalární veličina

údaj na tachometru

nezáleží na směru

lze i pro uzavřenou trajektorii (křeček v bubínku, dítě na kolotoči)

Trajektorie

Skalární charakteristiky pohybu

12 ttt

)(tst

5

Page 6: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Rychlost v

délka dráhy uražené za určitý čas

přesněji: zavedli jsme průměrnou rychlost v intervalu

(měli bychom psát )

zkracováním intervalu dostaneme okamžitou rychlost

musíme znát s pro všechna t neboli dále předpokládáme znalost fce s(t)

(zavedli jsme symbol derivace)

Skalární charakteristiky pohybu

12 ttt 12 sss

12

12

tt

ss

t

sv

21 ttt

12

12

tt

ss

t

sv

0t

dt

ds

t

sv

t

0lim

6

Page 7: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Mějme funkci definovanou v bodě .

Derivací rozumíme ,

označujeme .

Podle obrázku výraz

je směrnice sečny.

Limita pro je směrnice tečny v bodě .

Má-li funkce derivaci v každém bodě , říkáme, že má v

derivaci. Označujeme ji .

Zjednodušení zápisu v případě, kdy nemůže dojít k omylu , pokud

. Podobně , pokud . (Toto zavedl I. Newton v díle

Philosophiae Naturalis Principia Mathematica)

Derivace

),( ba

)()( 00 xfxxf )( 0xf

)( 0 xxf

)(xfy 0x

)(xyy

dx

dyy

)(tss dt

dss

)(,,),(),(,,),(),( xffyxydx

dxf

dx

d

dx

dy

dx

dfxyxf

),( bax

0x

)(xf

0x

tgx

xfxxf

)()( 00

)( 0xf

x

xfxxf

x

)()(lim 00

0

7

Page 8: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Rychlost lze zapsat ve tvaru , přesněji

Rovnoměrný pohyb

nezáleží na směru pohybu

příkladem může být pohyb po kružnici s konstantní úhlovou rychlostí

vs.

Nerovnoměrný pohyb

opačná úloha k derivování – hledání primitivní funkce

známe a chceme znát :

Skalární charakteristiky pohybu

dt

ds

t

sv

t

0lim sv )()( tstv

konst sv

konst sv

)(tv )(ts dttvts )()(

8

Page 9: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Funkce je v intervalu primitivní funkce k funkci , jestliže pro

platí .

Víme, že

To znamená, že pokud je primitivní funkce je také primitivní

funkce.

Symbolický zápis:

Primitivní funkce (neurčitý integrál)

)(xF ),( ba )(xf

),( bax )()( xfxF

gf

CC

)g(f

konst0 )()()()(0

xfxFCxFCxF

)(xF CxF )(

CxFdxxf )()(

9

Page 10: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Skalární charakteristiky pohybu

Zrychlení a zkoumáme změnu rychlosti v čase

změna rychlosti 12 vvv dosažená za určitý čas 12 ttt

12

12

tt

vv

t

va

analogicky jde o průměrné zrychlení v intervalu 21 ttt

(měli bychom psát 12

12

tt

vv

t

va

)

okamžité zrychlení zavedeme derivací

sdt

sd

dt

ds

dt

dv

dt

dva

2

2

avs funkce primitivní

derivace

funkce primitivní

derivace

10

Page 11: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Příklad – pohyb rovnoměrně zrychlený

1) Známe vztah pro dráhu – derivováním vypočteme rychlost

00

2

02

1)( stvtats

Známe derivace:

nxy 1 nnxy

)(xfCy )(xfCy

)()( xgxfy )()( xgxfy

Tedy

000000

2

000

2

0 022

1

2

1

2

1)( vtavtastvtastvtatsv

11

2) Známe rychlost – derivováním vypočteme zrychlení

00)( vtatv

0

0

0

1

000 avtavtava

Page 12: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Příklad – pohyb rovnoměrně zrychlený

3) Známe vztah pro rychlost – dráhu vypočteme pomocí primitivní funkce

00)( vtatv

Známe primitivní funkce:

nxxf )(

1)(

1

n

xxF

n

)()( xgCxf )()( xGCxF

)()()( xhxgxf )()()( xHxGxF

Tedy

00

2

0

ntaint.konsta

0

1

0

2

0

0

0000

2

1

12

)()()(

stvtast

vt

a

dttvtdtadtvtadttvts

12

4) Známe zrychlení – rychlost hledáme jako primitivní funkci

0aa

00

ntaint.konsta

0

1

0001

vtavt

adtadtaadtv

Page 13: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Příklad – volný pád

souřadnicová osa h orientovaná směrem dolů

všechny vektory – nenulové jen svislé složky

možno užít skalární vztahy

v čase 0t 0v

0h

gravitační zrychlení ga

rychlost 0vgtgdtv gtv

dráha (výška) 0

2

2h

tggtdth

2

2tgh

zrychlení v závislosti na výšce a době pádu 2

2

t

hg

vyloučení parametru t g

vt

g

v

g

vgh

22

22

rychlost v závislosti na výšce pádu ghv 2

13

Page 14: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

v třídimenzionálním prostoru

nebo

typy souřadnic v rovině

kartézské

polární

typy souřadnic v prostoru

kartézské

cylindrické

sférické

Souřadnice bodu

],,[ 321 xxx ],,[ zyx

polární

sférické

cylindrické

14

Page 15: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Směrové kosiny

r ... vzdálenost bodu od počátku kartézských souřadnic

cosrx

cosry

cosrz

často pohodlnější indexované souřadnice a úhly: ii rx cos

15

Page 16: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Směrové kosiny transformace

3x3x

1x

1x

2x

2x

1112

13

přechod mezi vzájemně pootočenými kartézskými

soustavami souřadnic 321321 ,,,, xxxxxx

matice rotace

333231

232221

131211

aaa

aaa

aaa

prvky matice rotace = směrové kosiny transformace,

tj. směrové kosiny úhlů, které svírají osy ix s osami jx

ijija cos

16

Page 17: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Obecná transformace souřadnic

Rotace a translace

přechod mezi kartézskými soustavami souřadnic 321321 ,,,, xxxxxx

matice rotace ijija cos

rotace (přímá) )3,2,1(3

1

ixaxj

jiji

sčítací konvence – přes index, který se vyskytuje

v součinu právě dvakrát, se sčítá od 1 do 3 jiji xax

translace určena konstantami ic iii cxx

obecná transformace zahrnuje rotaci a translaci:

transformace (přímá) ijiji cxax

transformace inverzní jiijj cxax , kde iijj cac

Poznámky:

v přímé transformaci se sčítá přes druhý index ija , v inverzní přes první index!

pro prvky matice platí podmínky ortonormality: ijjkikkjki aaaa (celkem 9 rovnic)

Kroneckerův symbol 0

1

ij

ij

ji

ji

17

Page 18: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Sčítací konvence a Kroneckerův symbol

Bez sčítací konvence a Kroneckerova symbolu by se podmínky ortonormality

ijjkikkjki aaaa

musely zapsat následujícími rovnicemi:

)33(1

)23(0

)13(0

)32(0

)22(1

)12(0

)31(0

)21(0

)11(1

333332323131333323231313

233322322131323322231213

133312321131313321231113

332332223121333223221312

232322222121323222221212

132312221121313221221112

331332123111333123211311

231322122111323122211211

131312121111313121211111

jiaaaaaaaaaaaa

jiaaaaaaaaaaaa

jiaaaaaaaaaaaa

jiaaaaaaaaaaaa

jiaaaaaaaaaaaa

jiaaaaaaaaaaaa

jiaaaaaaaaaaaa

jiaaaaaaaaaaaa

jiaaaaaaaaaaaa

,

,

,

,

,

,

,

,

,

18

Page 19: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

vektorový prostor

definovány operace 1) sčítání

2) násobení číslem

výsledek musí patřit do téhož prostoru

objekty různých typů – vektory, funkce

vektor, vektorová fyzikální veličina

velikost

směr

orientace

umístěný vektor

rozšíření matematické definice

jednoznačně umístěn v prostoru – zpravidla volbou počátečního bodu

Vektorové charakteristiky pohybu

19

Page 20: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Souřadnice vektoru

kartézská soustava souřadnic

jednotkové směrové vektory ve směrech os 321 ,, eee

souřadnicové osy vzájemně kolmé – vektory ie

ortonormální, tj. ijji ee

ortonormální báze (pravotočivá)

vektory

umístěné souřadnice vektoru počátekkonec

iii xxA

vektory 332211 ,, eAeAeA

označujeme složky vektoru

vektor ),,( 321 AAAA

– lineární kombinace směrových vektorů

iieAeAeAeAA

332211

nositelem fyzikální jednotky vektoru je souřadnice

1x 2x

3x

1e

3e

2e

20

Page 21: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Operace s vektory – vlastnosti báze

vektorové veličiny CBA

,,

souřadnice vektorů v kartézské soustavě souřadnic iii CBA ,,

skalární součin vektorů ortonormální báze ijji ee

Kroneckerův symbol

(Leopold Kronecker 1823-1891 Německo) 0

1

ij

ij

ji

ji

vektorový součin vektorů báze kijkji eee

(platí stejně v pravotočivé i levotočivé soustavě, orientace součinu se určí podle pravidla patřičné ruky)

Levi-Civitův symbol

0)()()(

1

1

ijk

ijk

ijk

kjkiji

permutace lichá

permutace sudá

(Tullio Levi-Civita 1873-1941 Itálie) 21

Page 22: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Operace s vektory – sčítání a násobení

operandy iieAA

, jjeBB

sčítání iiijjii eBAeBeABA

)(

násobení skalárem iiii ekAeAkAk

)()(

násobení vektorů

skalární součin

332211

)(

BABABA

BAeeBAeBeABA ii

ij

jijijjii

vektorový součin

312212131312332

)(

eBABAeBABAeBABA

eBA

e

eeABeBeABA kjiijk

kijk

jijjjii

22

Page 23: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Transformace vektoru

přechod mezi kartézskými soustavami souřadnic 321321 ,,,, xxxxxx

souřadnice vektoru 321321 ,,,, AAAAAA

souřadnice se při pouhé translaci nemění uvažujeme jen rotace

matice rotace ijija cos

transformace přímá jiji AaA

transformace inverzní iijj AaA

Vektory musí při transformaci zachovat velikost jjkj

jk

ikijkikjijii AAAAaaAaAaAA

splněno díky podmínkám ortonormality ( ijjkikkjki aaaa )

Poznámky:

v přímé transformaci se sčítá přes druhý index ija , v inverzní přes první index

slang: vektory různých veličin znázorňujeme do „stejné“ kartézské s.s. → společné směrové vektory, osy vždy „cejchovány“ v příslušných jednotkách

23

Page 24: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Polohový vektor

kartézská soustava souřadnic, osy jsou „cejchované“ v délkových jednotkách

souřadnice bodu P v prostoru 321 ,, xxx

spojnice počátku O vztažné soustavy s bodem P „vektor pevně umístěný

v počátku“ iiexexexexr

332211

polohový vektor (radius vektor) ),,( 321 xxxr

užíváme pro popis souřadnic

bodu v prostoru

povšimněme si:

při posunutí počátku vztažné soustavy samozřejmě očekáváme změnu

polohových vektorů všech objektů

právě jsme si řekli, že vektory se při translaci nemění

polohový vektor není běžný vektor

jako vektor se chová až rozdíl polohových vektorů

24

Page 25: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Parametrizace vektorů

Parametrizace polohy

)(),(),( 321 txtxtxt parametrizace časem

(vhodná pro zkoumání rychlosti)

ii etxtr

)()(

)(),(),( 321 sxsxsxs parametrizace dráhou

(vhodná např. pro zkoumání tvaru trajektorie)

ii esxsr

)()(

Vyloučení parametru

získáme rovnici dráhy (trajektorie)

)(),(,)()( 13121111 xxxxxxtttxx

25

Page 26: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Diferenciál funkce

Diferenciál funkce )(xfy v bodě x je dxxfxdfdy )()( , kde dx je

(infinitezimální) přírůstek nezávisle proměnné; analogicky ho nazýváme diferenciálem nezávisle proměnné. Symbol pro označení derivace vychází z toho, že derivace skutečně je podílem diferenciálu funkce a diferenciálu nezávisle proměnné ( 0dx )

26

Page 27: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Vektorová veličina analogická k s(t)

dráha s polohový vektor ii etxtr

)()(

)(),(),( 321 txtxtx

Alternativní postup:

Dráhu s chápeme jako vzdálenost mezi body 0A a A .

Pak analogickou vektorovou veličinu představuje změna

polohového vektoru 0)()( rtrtr

.

Výhoda: Změna polohového vektoru má všechny vlastnosti vektoru.

27

Page 28: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Vektorové veličiny analogické k v(t) a a(t)

rychlost v (vektorová) rychlost ii etxtrtv

)()()( )(),(),( 321 txtxtx

ve významu „velocity“

dt

trdttr

dt

rdv

)()(

Platí vrd

dtvrd

||

a naopak neplatí rrd

|| !

Alternativní postup: Zároveň platí )()( trtv

, protože

)()()()()( 00 tretxretxdt

drtr

dt

dtr iiii

zrychlení a (vektorové) zrychlení ii etxtrtvta

)()()()( )(),(),( 321 txtxtx

28

Page 29: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Pravidla pro derivace

derivace složené funkce )()()( xgxgfxgfdx

d

derivace součinu funkcí (Leibniz) gfgffg

analogicky pro diferenciály dgfdfgfgd

29

Page 30: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Vztah vektorové a skalární rychlosti

Uvažujeme ii esxsr

)()( a )(tss , tedy jako složenou funkci ii etsxtsr

))(())((

Rychlost vyjádříme

dt

tds

ds

rd

sxds

detsx

dt

deetsx

dt

dtsr

dt

dtsv iiiiii

)()())(())(()())((

tedy dt

tds

ds

rdtsv

)())((

, kde

)()(

tvdt

tds ... velikost rychlosti

|| rd

rd

ds

rd ... tečný vektor trajektorie

o jednotkový vektor 1||

o vvrddtvrd

||||

Závěr: )()( tvtv

30

Page 31: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Vlastnosti vektoru ds

d

1||

1

derivace konstanty 0

ds

d

derivace součinu funkcí ds

d

ds

d

ds

d

ds

d

2

0ds

d

, resp. 0

d

Splněno ve dvou případech:

1) 0ds

d

konst

(přímočarý pohyb)

2)

d

ds

d

vektor ds

d

, resp.

d kolmý ke směru rychlosti

(obecný křivočarý pohyb ) 31

Page 32: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

)(t

)(t

)( dtt

R

)(tr

ds

d

)( dttr

Křivočarý pohyb v rovině

Ukážeme, že vektor ds

d

směřuje do středu okamžitého oblouku a velikost tohoto

vektoru je svázána s poloměrem okamžitého oblouku.

Rovina pohybu určena vektory

ddttt ),(),( . Ukázali jsme, že

d

.

Zavedeme vektor ||

d

dn . Musí platit 1|| n

.

Platí:

n

dn || Vektor n

leží v rovině pohybu.

V obrázku vidíme podobné trojúhelníky,

proto Rds

d ||||

. Pak 1||

Rds

d 1||

Vynásobíme obě strany vektorem n

a

dostaneme R

n

ds

d

ds

dn

||

.

32

Page 33: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Křivost trajektorie

Pro křivočarý pohyb v rovině jsme odvodili R

n

ds

d

.

Vektor ds

d

tedy je kolmý k okamžité rychlosti a má velikost R

1, kde R je

poloměr okamžitého oblouku (oskulační kružnice).

Veličina R

1 se nazývá křivost křivky (v daném bodě).

V rovině mají konstantní křivost

o přímka ( 0 )

o kružnice (r

1 )

V případě prostorového pohybu lze každým bodem trajektorie proložit rovinu okamžitého pohybu, takže v každém okamžiku lze obecný křivočarý pohyb popsat jako pohyb v rovině (která se s časem mění).

33

Page 34: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Vztah vektorového a skalárního zrychlení

Uvažujme obecný nerovnoměrný křivočarý pohyb: dt

dv

dt

dvv

dt

d

dt

vda

Zaveďme parametrizaci ))(( ts

, pak vR

n

dt

ds

ds

d

dt

d

Celkové zrychlení lze rozdělit na dvě složky:

nta

R

nv

a

dt

dv

dt

dv

dt

dva

2

dt

dvat ... tečná složka zrychlení – ve směru tečného vektoru

R

nvan

2 ... normálová složka – ve směru normálového vektoru, který

směřuje do středu okamžitého oblouku dráhy poloměru R (oskulační kružnice; její střed i poloměr R se v případě obecného křivočarého pohybu můžou neustále měnit)

34

Page 35: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Axiom skládání rychlostí

klasický axiom předpokládá lineární skládání

rychlostí nezávisle na pohybu těles

vychází z pozorování Galileiho a Newtona

byl jedním z východisek pro postulování

absolutního prostoru a času

axiom je v souladu s dříve zavedenými

transformačními vztahy:

vztažná soustava O se pohybuje rychlostí u

vzhledem k soustavě O turr

vzhledem k O rychlost pohybu tělesa v

tvrr

0

vzhledem k O rychlost pohybu tělesa v

tvrr

0

dosazením (tzv. Galileiho transformace) tutvrtvr

00

vztah mezi rychlostmi (derivováním) uvv

35

Page 36: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Příklady pohybů v prostoru

obecný křivočarý pohyb v prostoru

3 parametrické rovnice

rovinný pohyb v prostoru

2 parametrické rovnice

(při vhodné volbě soustavy souřadnic)

přímočarý pohyb v prostoru

1 parametrická rovnice

(při vhodné volbě soustavy souřadnic)

36

Page 37: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Rovnoměrný kruhový pohyb

202

101

)sin(

)cos(

xtRx

xtRx

R ... poloměr dráhy

... počáteční fáze

x10, x20 ... souřadnice středu

Tf

1 ... frekvence a oběžná doba

(perioda)

Tf

22 ... úhlová (kruhová) frekvence

2T ,

2f ... další vztahy

37

Page 38: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Rovnoměrný kruhový pohyb

rovnice trajektorie (vyloučení času):

22

202

2

101

2222

202

2

101

222

202

222

101

202

101

)()(

1

)(sin)(cos)()(

)(sin)(

)(cos)(

)sin(

)cos(

Rxxxx

ttRxxxx

tRxx

tRxx

tRxx

tRxx

38

Page 39: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Rovnoměrný kruhový pohyb

rychlost:

Rv

ttRvvvtRxv

tRxv

||

1

)(cos)(sin||)cos(

)sin(222

2

2

1

22

11

vektor ve směru pohybu obvodová rychlost zrychlení:

R

vvRa

ttRaaatRxa

tRxa

22

2222

2

2

12

22

2

11

||||||

1

)(sin)(cos||)sin(

)cos(

vektor míří do středu otáčení dostředivé zrychlení

39

Page 40: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Nerovnoměrný kruhový pohyb

202

101

)(sin

)(cos

xtRx

xtRx

R ... poloměr dráhy

)(t ... časově proměnný fázový úhel

x10, x20 ... souřadnice středu

40

Page 41: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Harmonický pohyb

průmět rotačního pohybu do 1D 0)sin( xtAx

A ... amplituda

... kruhová (úhlová) frekvence

... počáteční fáze x0 ... výchozí poloha

2T ... perioda (oběžná doba)

Tf

1 ... frekvence

2f ... frekvence

rychlost a zrychlení:

)()sin(

)cos(

0

2

0

2 xx

xx

tAxa

tAxv

... zrychlení úměrné výchylce

41

Page 42: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Zavedení „úhlových“ vektorů

průvodič R

leží v rovině rotace hmotného bodu a míří ze středu rotace k h.b.

2D: ),( 202101 xxxxR

3D: výhodnější uvažovat polohu h.b. vzhledem k pevnému bodu na ose otáčení

polohové vektory jednotlivých h.b. opisují kužele se společným vrcholem

průvodič jednotlivého h.b. je průmět polohového vektoru do roviny rotace h.b.

úhlové otočení = úhel, který svírají dva různé průvodiče pohybujícího se bodu

úhlová dráha = úhel, který svírají aktuální průvodič a jeho výchozí poloha

vektor (úhlového) otočení o , kde o

je jednotkový vektor ve směru osy

otáčení; orientace závisí na točivosti použité báze – pokud bod rotuje v kladném

smyslu ve vodorovné rovině, bude v pravotočivé soustavě vektor o

směřovat vzhůru

(pravidlo pravé ruky)

42

Page 43: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Vektory úhlové rychlosti a úhlového

zrychlení

vektor úhlové rychlosti

oodt

d

dt

d

vektor úhlového zrychlení

oodt

d

dt

d

dt

d

2

2

2

2

víme: Rs Rdds dt

dR

dt

ds

Rv ||||||

Rv

podle obrázku: sin|||| rR

sin||||||

rv rv

(pořadí činitelů v souladu s pravidlem pravé ruky)

r

v

R

O

43

Page 44: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Polární a axiální vektory

při zrcadlení souřadnic: 1) ii ee

2) pravotočivá s.s. levotočivá s.s. polární (pravý) vektor

iieaA

i

i

i e

a

aA

AA

změní znaménko

zůstane na místě

skutečná fyzikální veličina

vektorový součin 2 polárních vektorů:

axiální vektor (pseudovektor)

BAebeaebeaBA jjiijjii

)()()()(

nemění znaménko

zrcadlí se

není skutečná fyzikální veličina

1e

2e

1e

2e

44

Page 45: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Užití vektoru úhlové rychlosti

Rekapitulace vztahů: Rs

Rdds Rdrd

dt

dR

dt

ds R

dt

d

dt

rd

Rv Rv

||sin||||

rv rv

||sin|| rv rv

Vypočtěme zrychlení působící na h.b. Derivujeme rychlost:

ntnt a

r

a

r

a

v

a

r

v

dt

rdr

dt

dr

dt

d

dt

vda )(

rat

... varr t

||)(||)(|| ... tečná složka zrychlení

van

... Ravaa nnn

||, ... normálová složka zrychlení

)( ran

... normálová složka míří proti průvodiči (dostředivé zrychlení)

45

Page 46: I. MECHANIKA - kmf.troja.mff.cuni.czkmf.troja.mff.cuni.cz/NOFY021/NOFY021 - P1 - Kinematika.pdf · Vývoj základních pojmů kinematiky kiné = pohyb hmotné objekty existují v

Výpočet zrychlení rotačního pohybu

Použití vektorů úhlové rychlosti a úhlového zrychlení spolu s vektorovým násobením vede na kompaktní zápis:

ntnt a

r

a

r

a

v

a

r

v

dt

rdr

dt

dr

dt

d

dt

vda )(

Porovnejme s výsledkem alternativního postupu:

nt a

nR

a

R

R

dt

ds

R

n

ds

dRR

dt

ds

ds

d

dt

dR

dt

dRR

dt

dv

dt

da 2

Pro odstranění proměnné R (délka průvodiče) poslouží vztahy

||

||sin||

r

rRat

n

r

rn

r

rnRan

|)(|

||sin||sin||||

||

||sin||

1

2

2

46